ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА

Гордійчук Іван Йосипович

УДК 621.316:532.232

ОБГРУНТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ТА РОЗРОБКА ПРИСТРОЇВ

ЗНЕЗАРАЖУВАННЯ ВОВНИ З ВИКОРИСТАННЯМ

ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ І ПРУЖНИХ КОЛИВАНЬ

Спеціальність 05.09.16 – електротехнології та

електрообладнання в агропромисловому комплексі

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті сільського господарства Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Свергун Юрій Федорович,

Харківський державний технічний

університет сільського господарства,

завідувач кафедри “Загальна

електротехніка”.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Просвірнін Віктор Іванович, Таврійська державна агротехнічна академія, завідувач кафедри “Енергетика сільського господарства”;

кандидат технічних наук, доцент Лоєнко Василь Васильович, Полтавська державна аграрна академія, доцент кафедри “Ремонт машин і технології конструкційних матеріалів”.

Провідна установа – Національний науковий центр “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” УААН, відділ електрифікації сільського господарства, с.м.т.Глеваха, Васильківського району Київської області.

Захист відбудеться “ 16 ” січня 2003 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.832.01 у Харківському державному технічному університеті сільського господарства за адресою: 61002, Україна, м.Харків. вул.Артема, 44.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці університету.

Автореферат розісланий “_11__” __грудня_______________ 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Черенков О.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Традиційні технології, що застосовуються для первинної обробки вовни і її знезаражування, сприяють зниженню міцності і розривного навантаження вовни на 13-14 %, а вимогам державного стандарту відповідає всього 10 % обробленої вовни.

Однією із задач при первинній обробці вовни є її знезаражування як у процесі класування, так і під час первинної обробки, тому що в 1 г вовни міститься до 700 млн. бактерій. Існуючі методи знезаражування вовни засновані на обробці її пароформаліном, що приводить до часткового її ушкодження, а при скиданні мийного розчину у водойми – до знищення мікроорганізмів, чим порушується екологічний баланс.

З огляду на фізико-хімічні властивості бактерій і вовни, можна припустити, що її знезаражування можливе на основі застосування електромагнітних і пружних коливань.

За даними літературних джерел, електромагнітні й пружні коливання давно знайшли застосування для дезінфекції зерна, знищення шкідників-комах, обробки комбікорму, стерилізації тари, інструментів, спецодягу.

Застосування технології для обробки вовни електромагнітними і пружними (ультразвуковими) коливаннями дозволить не тільки провести її знезаражування і мийних водних розчинів із поверхнево-активними речовинами (ПАР) без застосування спеціальних мір, але й підвищити міцність і розривне навантаження вовни.

Тому розробка методів і пристроїв для знезаражування вовни за допомогою електромагнітного (ЕМП) надвисокочастотного (НВЧ) поля і пружних коливань є актуальною задачею, вирішення якої дозволить звести до мінімуму використання дезінфектантів і їх негативний вплив на навколишнє середовище.

Однак застосування технологій для знезаражування вовни за допомогою електромагнітних і пружних коливань пов'язане з труднощами теоретичного й конструктивного характеру і вимагає високотехнологічного виробництва.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалася відповідно до Державної науково-технічної програми 3.12 “Енерго- і ресурсозберігаючі технології в сільськогосподарському виробництві”, тематикою міжвузівських наукових і науково-технічних програм за пріоритетними напрямками розвитку науки й техніки (Наказ Міністерства освіти України № 37 від 13.02.96, п.2) і планом НДР Харківського державного технічного університету сільського господарства; загальноукраїнською науково-технічною програмою на 1991-1995 р. “Розвиток досліджень і використання НВЧ енергії в АПК країни”; постановою Кабінету Міністрів України від 22.06.1994 р. № 429 “Про реалізацію пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки (пункт 3 “Виробництво, переробка й зберігання сільськогосподарської продукції”); науково-технічною програмою Міністерства агропромислового комплексу України від 30.02.1998 р. № 339 “Науково-дослідні й дослідницько-конструкторські розробки”.

А також відповідно до тем, проведених в Харківському державному технічному університеті сільського господарства за планами НДР і ДКР: “Дослідження впливу електромагнітних полів на біологічні об'єкти на базі створених спеціалізованих стендів”, “Розробка й створення технічних засобів для дослідження електрофізичних властивостей рідких і твердих матеріалів у НВЧ діапазоні”, “Розробка методів і засобів контролю впливу фізичних факторів на біологічні об'єкти” (тема “Екос”), “Дослідження впливу тривалої дії ЕМП різної інтенсивності на мікроорганізми, комах і рослини”, шифр “Екос”, № Е9/62, держзамовлення ґрунтується на рішенні Державного комітету Ради Міністрів СРСР № 330 від 01.12.1990 р.

Технологія і пристрої знезаражування вовни виконані в межах інноваційного проекту “Організація ресурсозберігаючого виробництва первинної обробки вовни на основі екологічно чистої безвідхідної технології, що не має світових аналогів, із використанням електромагнітних полів і пружних коливань”, реєстр № 001697.1997 (Інститут тваринництва степових районів ім. М.Ф. Іванова “Асканія-Нова”, Харківський державний технічний університет сільського господарства).

Мета й задачі дослідження.

М е т о ю роботи є вирішення теоретичних і експериментальних задач по обґрунтуванню технології і розробці пристроїв знезаражування вовни на основі використання електромагнітного випромінювання НВЧ діапазону і пружних коливань у технологічному процесі первинної обробки вовни.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Провести аналіз бактеріальної зараженості вовни. Обґрунтувати методи підвищення ефективності знезаражування вовни в технологічному циклі її первинної обробки.

2. Обґрунтувати й розробити НВЧ пристрій для знезаражування вовни.

3. Обґрунтувати й розробити пристрій для знезаражування вовни пружними коливаннями.

4. Експериментально вивчити вплив ЕМП НВЧ діапазону й ультразвуку на бактерії у вовні і мийних водяних розчинах ПАР.

5. Розробити технологію знезаражування вовни і мийних розчинів із використанням електромагнітних і пружних коливань.

6. Провести санітарно-бактеріологічне дослідження зразків вовни і мийних розчинів.

Об'єкт дослідження - процес знезаражування вовни і водяних розчинів із поверхнево-активними речовинами з використанням електромагнітних і пружних коливань при первинній обробці вовни.

Предмет дослідження – технологія й пристрої для знезаражування вовни з використанням електромагнітних і пружних коливань при її первинній обробці.

Методи досліджень. Ґрунтуються на розробках теоретичної фізики, принципах електродинаміки, теорії акустичних коливань, санітарно-бактеріологічних дослідженнях, вимірювальній й обчислювальній техніці.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Визначено параметри впливу електромагнітного випромінювання і пружних коливань на мікроорганізми вовни, що викликають їхнє знищення.

2. Розроблено математичну модель розподілу електромагнітного поля НВЧ діапазону в камері з перемінним перетином для знезаражування вовни і визначені його основні конструктивні параметри.

3. Обґрунтовано математичну модель розподілу ультразвуку у пристрої для знезаражування вовни з визначенням його основних конструктивних параметрів.

4. Розроблено нові технологічні прийоми знезаражування вовни і водяних розчинів у пристроях з електромагнітним НВЧ випромінюванням і пружними коливаннями.

Практичне значення отриманих результатів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблені пристрої і технологічні режими знезаражування вовни електромагнітним полем НВЧ діапазону і пружними коливаннями.

Практично показано, що застосування розроблених пристроїв і технологічних режимів їх роботи на основі електромагнітних полів і пружних коливань дозволить зберегти якість природної вовни, виключити негативний вплив технологічного процесу знезаражування вовни на навколишнє середовище.

Розроблені пристрої й технологія для знезаражування вовни в процесі її первинної обробки впроваджені в Інституті тваринництва степових районів “Асканія-Нова”, економічний ефект складає 14 тис.грн. за рік.

Особистий внесок здобувача. Нові наукові результати отримані автором особисто. У роботі [1] автору належать результати розробки технології знезаражування вовни в електромагнітному НВЧ діапазону і ультразвуковому полях при її первинній обробці. В роботі [2] наведений розрахунок оптимального розміщення ультразвукових випромінювачів. У науковій праці [3] автору належить розробка математичної моделі розподілення поля в ультразвуковій камері. У роботі [4] автору належить розробка математичної моделі розподілу електромагнітного поля НВЧ діапазону в камері з перемінним перетином. У тезисах докладу [5] автором розроблений алгоритм управління автоматизованим процесом первинної обробки вовни, а в патенті [6] доля участі автора складає 20 %.

Апробація результатів дисертації проведена на Міжнародних конференціях “Проблеми електропостачання й енергозбереження в АПК України” (Харків, ХГТУСХ, 2001); “Землеробська механіка на рубежі сторіч” (м.Мелітополь, 2001); “Енергетика сільськогосподарського виробництва” (м.Харків, ХГТУСХ, 1999 р.); на міжнародній науково-технічній конференції “MicroCAD-2000. Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, здоров'я” (Харків, ХГПУ, 2000).

Публікації. Основні положення дисертації викладені в 6 наукових статтях.

Структура и об’єм дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновку, списку літератури та додатків. Вона включає 127 сторінок, 21 рисунок, 10 таблиць, список джерел літератури нараховує 88 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації, формулюється наукова проблема, що розв’язується, розкривається сутність і стан цієї проблеми, висвітлюється зв'язок роботи з програмами, планами та темами НДР; формулюється мета і наукові задачі дослідження, розв'язання яких забезпечує досягнення поставленої мети; визначається наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, а також особистий внесок здобувача у надрукованих роботах; подана інформація щодо апробації дисертаційних досліджень.

У першому розділі проведено аналіз методів знезаражування вовни й обґрунтовані напрямки досліджень. При первинній обробці вовни робітники підпадають під вплив шкідливих для здоров'я факторів, оскільки поряд із мінеральними й органічними забрудненнями вовна несе на собі велику кількість бактеріальної флори. В одному грамі вовни може знаходитися майже мільйон бактерій. Поряд із так званими санітарно-показовими мікроорганізмами (стафілококи, стрептококи, кишкова паличка і т.д.), що викликають захворювання органів носоглотки і дихальних шляхів, а також шкіри і підшкірної клітковини, можуть знаходитися і патогенні мікроорганізми. До професійних захворювань робітників вовнопереробної промисловості, які викликані патогенними мікроорганізмами, відносяться сибірська виразка, лихоманка Ку, що передаються через сировину, причому захворювання сибірською виразкою й лихоманкою Ку можуть приводити до летальних наслідків. На підставі соціально-економічного аналізу інфекційних хвороб економічний збиток, що завдається одним випадком захворювання сибірської виразки при госпіталізації працюючого працівника, складав у цінах 1991 року 1541 крб.

В даний час основними методами знезаражування вовни при її первинній обробці є використання пароформаліну або розчинників. В останні роки розроблені нові препарати (дезаксон-4, дезефект і ін.) і методики їхнього застосування в медицині, ветеринарії й санітарії. Однак усі відомі дезінфектанти змінюють фізико-хімічні й органолептичні властивості вовни, шкідливо діють на навколишнє середовище й організм людини.

В останні роки в сільському господарстві, харчовій, переробній і легкій промисловості, медицині і ветеринарії почали впроваджуватися технології з використанням електромагнітного поля НВЧ діапазону й ультразвуку для обробки сировини й продукції. При цьому спостерігається знезаражуючий ефект.

Перевага технології знезаражування вовни НВЧ енергією й акустичними коливаннями перед іншими методами полягає в наступному:

- процес знезаражування скорочується в десятки разів;

- нижче собівартість процесу;

- економія енергії, робочої праці й часу;

- велика пропускна здатність;

- висока ефективність;

- малогабаритність устаткування;

- збереження якості вовни;

- відсутність окисних процесів, що знижують якість вовняного жиру;

- екологічна чистота процесу (відсутність продуктів згоряння і неприємних запахів).

Аналіз відомих НВЧ пристроїв показав, що ці пристрої не можуть бути використані для знезаражування вовни, тому що призначені для іншого виду сировини. Тому для знезаражування вовни необхідно розробити нову мікрохвильову систему. Труднощі з розробкою мікрохвильової системи пов'язані з розв’язанням задачі, що повинна враховувати енергетичну взаємодію НВЧ поля з вовною й мікроорганізмами на ній з урахуванням їх електро- і теплофізичних характеристик.

З позицій класичної математики мова йде про розв’язання системи диференціальних рівнянь із перемінними коефіцієнтами, які загального рішення не мають.

Аналіз літературних джерел і досліди з вовною показали, що низькочастотний ультразвук також має бактерицидну дію. При впливі ультразвукових коливань амплітудою 0,55-0,60 мкм із частотою 26,12-26,25 кГц і при експозиції 5 хвилин спостерігалися розриви клітинної мікроструктури з частковими ушкодженнями цитоплазми у стафілокока, у грамнегативних бактерій клітинна структура цілком руйнувалася.

Ефективність ультразвукових коливань залежить від густини бактеріальних суспензій; при менш концентрованих суспензіях процес руйнування бактерій прискорюється, а початкове число бактеріальних кліток суспензії не впливає на кінцевий результат. Бактерицидний ефект ультразвуку виникає з появою кавітації (інтенсивність більш 0,5 Вт/см2). Збільшення інтенсивності більш ефективно, чим збільшення часу впливу.

Застосування ультразвукових коливань для знезаражування волокон вовни не вимагає високих температур і не приводить до ушкодження волокон, що характерно для дезинфекції поточною парою і пароформаліном.

З аналізу існуючого матеріалу, пов'язаного з впливом НВЧ енергії і акустичних коливань на шкідливу мікрофлору й комах сільськогосподарської продукції, випливає, що для розробки технології знезаражування вовни на основі зазначених фізичних факторів необхідне проведення як теоретичних, так і експериментальних робіт, що вимагають високого наукового й технічного потенціалу.

У розділі 2 проведене теоретичне обґрунтування НВЧ пристрою для знезаражування вовни. Вирішення задачі по застосуванню електромагнітного випромінювання для знезаражування вовни стримується тим, що не розроблені на теоретичному рівні НВЧ пристрої, здатні виконувати задачу знезаражування вовни в автоматичному режимі при її первинній обробці. У якості такого пристрою розглядається нерегулярний резонатор об’єму, що дозволяє здійснювати знезаражування заданої кількості вовни в автоматичному режимі за час, заданий технологічним процесом, із її автоматичним завантаженням і вивантаженням. Форма пристрою для знезаражування вовни НВЧ енергією представлені на рис .1.

Даний пристрій розглядається як резонатор, що складається з трьох областей: I – верхня частина, що має форму кругового циліндру, що служить для завантаження вовни; II – середня частина, що має форму кругового циліндра і є власне об’ємом резонатора; III– нижня частина, що має форму усіченого конуса, що закінчується нижньою засувкою, і є закінченням об’єму резонатора.

Область I має діаметр і висоту ; область II – діаметр і висоту ; область III – має верхній діаметр , нижній діаметр і висоту . Величини , і визначаються в процесі розрахунку конкретної камери. Кут між утворюючою конічної частини камери і горизонтальною лінією дорівнює 600.

Даний об’єм має регулярну верхню й середню частину циліндричної форми, але з різними діаметрами і нижню частину, що звужується зверху униз, зазначена форма дозволяє звести задачу визначення електромагнітних полів у кожній ділянці резонатора до задачі наступного типу.

Для визначення полів у такій резонаторній системі розглядаються внутрішні електромагнітні поля у вигляді деяких рядів за власними електричними й магнітними векторними функціями:

(1)

де: і – власні електричні і магнітні векторні функції резонатора;

і – амплітудні коефіцієнти розкладання;

і – деякі вагові функції.

Власні векторні функції резонатора, що описують подовжні й поперечні компоненти поля, подаються за допомогою скалярних власних функцій, що задовольняють самосполученому оператору, заданому на поперечному перерізі направляючої системи, і відповідним граничним умовам на контурі цього перетину. Амплітудні коефіцієнти розкладання визначаються із системи хвильоводних рівнянь.

Оскільки направляюча система описується за допомогою ортогональних систем координат, то власні скалярні функції знаходяться з рівняння

, (2)

де – електрична чи магнітна власна скалярна функція відповідно;

– заданий на поперечних координатах лапласіан;

– власні значення даного оператора.

Система хвильоводних рівнянь при цьому приводиться до діагонального виду і розпадається на кінцеві системи для подовжніх електричних і магнітних хвиль, що дають наступні лінійні диференціальні рівняння для амплітудних коефіцієнтів:

(3)

де ;

– хвильове число у вільному просторі;

– довжина хвилі розглянутого електромагнітного поля у вільному просторі.

Зазначена вище вимога строго виконується в областях I і II, тому що поверхня цих областей описується циліндричними координатами. Що стосується області III, то у випадку порівняно мінливої зміни поперечного переріза циліндричного хвильоводу рівняння для власних скалярних функцій і амплітудних коефіцієнтів можуть бути представлені у вигляді (2), (3), але в рівняннях для амплітудних коефіцієнтів подовжнє хвильове число буде не константою, а функцією подовжньої координати. Рівняння (2), (3) мають праву частину рівну нулю, так як вважається, що розглянутий резонатор не має збудливих елементів.

Розглянемо розв’язання рівнянь (2) і (3). Що стосується рівняння (2), то воно вирішується з урахуванням граничних умов на границі поперечного перерізу резонатора з урахуванням форми цього перетину. Для електричної власної функції граничні умови мають вигляд:

, (4)

для магнітної –

, (5)

де – нормаль до внутрішньої поверхні резонатора.

Що стосується рівняння (3), то воно повинно бути розв’зане для кожної з трьох областей резонатора, а потім ці розв’язання зшиті на границях областей.

В області I і II хвильове число буде величиною постійною, тому (3) вирішується як звичайне однорідне лінійне диференціальне рівняння 2-го порядку з постійними коефіцієнтами. Якщо подовжньою координатою в резонаторі буде координата , то в області I

, (6)

а в області II –

, (7)

, , і – деякі константи.

В області III – , причому зі зменшенням поперечного перерізу зменшується, і щоб область III не стала позамежним хвильоводом і в ній існувало електромагнітне поле, лінійні розміри її поперечного переріза не повинні дійти до визначеної величини, що знаходиться при розв’язанні конкретної задачі.

Лінійні диференціальні рівняння другого порядку з перемінними коефіцієнтами, як відомо, вирішуються лише в деяких випадках. У даному конкретному випадку рішення можна знайти за допомогою методу приєднаних рівнянь.

З приведених міркувань випливає, що розглянута задача може бути вирішена у той же спосіб, що й у звичайних резонаторах, тобто за допомогою розв’язання рівняння Гельмгольца для подовжньої електричної чи магнітної складової електромагнітного поля в резонаторі:

. (8)

Розглянемо розв’язання рівняння в камері для знезаражування вовни. Більш простими в даному випадку є області I і II, що мають форму регулярного кругового циліндра. Дані частини резонатора описуються у циліндричних координатах , отже:

. (9)

Розв’язок (9) знаходиться за допомогою методу поділу координат.

(10)

Перейдемо тепер до області III. Виходячи з монотонної зміни її поперечного переріза і вище викладеного, можна вважати, що розв’язання диференціальних рівнянь будуть мати той же вигляд, а в області III для Е-хвиль буде:

(11)

де

(12)

(13)

; (14)

, (15)

і для Н-хвиль – (16)

Знаючи функції й у кожній із трьох областей можна записати всі складові поля на підставі рівнянь Максвелла. Для Е-хвиль це:

(17)

Для Н-хвиль –

(18)

Наведене є загальним рішенням задачі про розподіл електромагнітних полів у камері НВЧ.

Результати чисельного аналізу розподілу електромагнітного поля по об’єму пропонованої камери для знезаражування вовни на хвилі Е31 приведені на рис.2. Розрахунок проведений для поперечного перерізу камери в області ІІ. Значення квадрату амплітуди електричної складової дано у відносних одиницях.

З отриманих результатів випливає, що в областях II і III електромагнітна енергія розподілена по всьому поперечному перерізу камери.

За одержаними результатами визначимо чисельний розрахунок невідомих конструктивних параметрів камери для знезаражування вовни і для хвилі типа Частота генератора, що збуджує дану камеру, дорівнює Заповненням області І є повітря, а області ІІ і ІІІ вовна, у якої відносна дійсна і уявна частини діелектричної проникності відповідно дорівнюють і Магнітна проникність у цих областях така ж, як і у повітрі. Таким чином невідомі конструктивні параметри камери для знезаражування вовни склали:

Аналогічно виконуються розрахунки для інших типів хвиль, що дозволяє оптимізувати розв’язання кожної конкретної задачі, що розглядається.

У розділі 3 “Дослідження й розробка ультразвукових ванн для знезаражування волокон вовни і стічних вод” обґрунтовані параметри ультразвукового поля у ваннах для знезаражування вовни. Розподілення ультразвукового поля, а також його основні закономірності розглядаються для випадку плоскої ванни, оскільки ультразвукова дезінфекція відбувається в об'ємі, що є паралелепіпедом.

Як відомо, вода є пружною рідиною, тому хвильове рівняння, що описує пружне збурення, має вигляд:

, (19)

де с - швидкість звуку у воді. У нашому випадку випромінювач розташовується на бічній стінці ванни, або кілька випромінювачів розташовуються на стінках ванни.

У воді звукові коливання є чисто подовжніми, тому що коливання часток відбуваються в напрямку поширення хвилі. У зв'язку з цим у напрямку поширення хвилі, звукові хвилі будуть складатися зі стисків і розріджень, що чергуються.

З огляду на те, що як максимум, так і мінімум звукового тиску лежать протягом однієї половини довжини хвилі, а, наприклад, для частоти 18 кГц це 4 см, робимо висновок, що в ультразвуковому полі мають місце величезні градієнти тиску.

Розв’язання хвильового рівняння (19) дозволяє визначити середній градієнт тиску Р на ділянці між точками максимуму й мінімуму звукового тиску:

(Па/м). (20)

де - кругова частота;

- інтенсивність звуку;

- щільність.

Необхідно, однак, відзначити, що всі отримані результати відносяться до розв’язання хвильового рівняння (19) у першому наближенні. В ультразвуковому діапазоні хвилі, зустрічаючи перешкоду, створюють періодично мінливий тиск, середнє значення якого буде відмінно від нуля, у тому числі і через хаотичність розташування цих перешкод, який є тиском випромінювання.

Тиск випромінювання являє собою величину більш високого порядку і з розв’язанням хвильового рівняння у першому наближенні не визначається. Для його розрахунку потрібно навіть при малих амплітудах коливань враховувати, крім лінійних, ще і квадратні члени хвильового рівняння.

На рис.3 приведено залежність середнього градієнта тиску УЗ поля від його інтенсивності.

Середнє значення градієнта тиску ультразвукового поля (рис. 3) зростає зі збільшенням інтенсивності й частоти випромінювання. Вона складає 1,0 атм/см для частоти 16 кГц і 1,22 атм/см - для частоти 20 кГц, інтенсивність при цьому дорівнює 2,0 Вт/см2.

Чисельний аналіз на ЕОМ виразів для амплітуди, інтенсивності й градієнта тиску пружних коливань дозволяє зробити висновок про те, що для проведення дезінфекції волокон вовни і стічних вод варто вибирати магнітострикційні перетворювачі з параметрами: частота 20-40 кГц; інтенсивність коливань 0,5-5 Вт/см2.

Також були розраховані на ЕОМ амплітуди швидкостей УЗ коливань для частоти у рідині для ванни з розмірами: ширина довжина рівень розчину при різній кількості перетворювачів і їх розташування на стінках ванни. Одержано епюри розподілення УЗ поля в перерізах по висоті ванни для значень інтенсивність коливань кожного випромінювача склала

Для ванни з розмірами 1,4 м х 1,4 м х 1 м необхідно використовувати 4 перетворювача, розташованих попарно на протилежних боках ванни з координатами:

два випромінювачі на одній стінці з координатами 1-го випромінювача у=0,4 м; =0,25 м; 2-го випромінювача - у=1,04 м; = 0,75 м;

два випромінювачі на протилежній стінці з координатами 1-го випромінювача у=0,4 м; = 0,75 м; 2-го випромінювача у=1,04 м; = 0,25 м.

У розділі 4 нами приведені результати дослідження дії електромагнітного НВЧ діапазону й ультразвукового полів на мікрофлору вовни від овець мериносової породи з господарств Інституту тваринництва степових районів “Асканія-Нова” (Чаплинський район Херсонської області).

Обробка вовни у електромагнітному НВЧ діапазоні й ультразвуковому полях проводилася при різних експозиціях та концентраціях ПАР і формаліну. Після проведення обробки вовни в електромагнітному й ультразвуковому полях у ній визначався кількісний і якісний склад мікроорганізмів.

Для визначення кількісного складу мікрофлори застосовувався “глибинний” метод посіву, що дало можливість підрахувати аеробну й анаеробну флору. Для визначення патогенної мікрофлори робився посів на спеціальні диференціальні середовища.

Після вивчення посівів на відповідних середовищах проводилася подальша ідентифікація вирослих колоній з вивченням біохімічних і серологічних властивостей.

У досліджуваній вовні були виділені наступні мікроорганізми (контроль):

1. E.Coli (кишкові палички):

2. Cereus (псевдосибіревиразкова паличка)

3. S. epidermidis (епідермальний стафілокок)

4. S.saprophiticus (сапрофітний стафілокок)

5.Listeria (листерії)

6.Nesseria (нейсерії)

7.Enteracocus (кишкові коки)

8.Subtilis

9. Спорові.

10. Дріжджові клітки

11. Тетракоки

Аналіз результатів досліджень показує, що при обробці вовни в ЕМП НВЧ діапазону при потужності випромінювачів НВЧ енергії 3 кВт збільшення експозиції веде до зменшення числа бактерій, так, якщо при експозиції в 2 хвилини число бактерій на другий день після посіву складало більш 10 тис. штук, то при збільшенні експозиції до 3 хвилин їхня кількість зменшувалася до 6,8 тисяч штук. Істотна різниця відчувається на 4-й день – 5,5 тис. і 2,1 тис. відповідно. Разом із тим, домогтися знезаражування вовни за час обробки, обумовлений технологічним процесом, не вдається, у вовні виявляється присутність Enteracocus, S. epidermidis, спорових і дріжджових кліток.

При експозиціях 120 с і 180 с, потужностях випромінювачів 3 і 3,5 кВт ЕМП НВЧ і ультразвуку відповідно і концентрації формаліну 0,05 % спостерігається повне знищення мікроорганізмів як у вовні, так і у водяному розчині ПАР. При зниженні потужності випромінювачів ультразвуку до 1,5 кВт при експозиції 120 сек. не відбувається повне знищення мікроорганізмів. Кількість мікроорганізмів знижується за два дні з 4,9 до 3,95 тис. і присутні тільки два види мікроорганізмів: спорові і дріжджові клітки. Зниження концентрації формаліну або експозиції приводить до неповного знищення мікроорганізмів, при цьому життєдіяльність зберігають спорові й кокові форми. Таким чином, для знищення мікроорганізмів за час, обумовлений технологічним процесом для знищення мікроорганізмів у вовні й у водяних розчинах ПАР необхідне додавання у мийний розчин формаліну концентрацією 0,05 %.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ Й РЕКОМЕНДАЦІЇ

1. Вовну при її первинній обробці необхідно знезаражувати, тому що в ній можуть знаходиться хвороботворні мікроби і навіть такі, котрі приводять до летального випадку людини (сибірська виразка, лихоманка Ку).

2. Замість існуючих дезінфектантів для знезаражування вовни, що викликають ушкодження волокон, необхідно застосовувати нові технології знезаражування на основі НВЧ електромагнітних полів і пружних коливань.

3. Застосування ЕМП і пружних коливань для знезаражування вовни дозволить скоротити час технологічних циклів у 20-25 разів; зменшити енерговитрати до 60 %; зменшити технологічні площі в 3-5 разів; зберегти міцність і розривне навантаження вовни; виключити негативний вплив технологічного процесу знезаражування на навколишнє середовище; автоматизувати технологічний процес; виключити втрати вовни при її знезаражуванні.

4. Для знезаражування вовни НВЧ енергією варто використовувати об'ємний резонатор зі змінним перетином, що поряд із знезаражуванням забезпечує автоматичне завантаження й вивантаження вовни.

5. Для розрахунку конструктивних параметрів резонатора можна використовувати результати, отримані при розв’язанні електродинамічної задачі, пов'язаної з розподілом електромагнітного поля в об’ємі резонатора.

6. Знезаражування вовни варто проводити на хвилі типу Е31, що забезпечує рівномірний розподіл електромагнітної енергії по об’єму резонатора.

7. Для проведення дезінфекції волокон вовни і стічних вод варто вибирати магнітострикційні перетворювачі з параметрами:

- частота 20-40 кГц;

- інтенсивність коливань 0,5-5 Вт/см2.

8. Для ванни з розмірами 1,4 м х 1,4 м х 1 м необхідно використовувати 4 перетворювачі, розташовані попарно на протилежних сторонах ванни з координатами:

два випромінювачі на одній стінці з координатами 1-го випромінювача у=0,4 м; =0,25 м; 2-го випромінювача - у=1,04 м; = 0,75 м;

два випромінювачі на протилежній стінці з координатами 1-го випромінювача у=0,4 м; = 0,75 м; 2-го випромінювача у=1,04 м; = 0,25 м.

9. Для знезаражування вовни в технологічному циклі первинної обробки варто використовувати НВЧ пристрій на частоті 2,45 ГГц потужністю 3 кВт з об’ємом 2 м3 і пристрій пружних коливань на частоті

22 кГц із щільністю потоку потужності 2 Вт/см2.

10. Для повного знищення мікроорганізмів вовни рекомендуються наступні умови: експозиція 120 с для НВЧ енергії і 180 с для впливу ультразвуку при концентрації формаліну у водяному розчині 0,05 %.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Гордійчук І.Й., Свергун Ю.Ф. Використання електромагнітного поля НВЧ діапазону при первинній обробці вовни в процесі миття // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. – Вип.3. – 2000. – С.199-203.

2. Черенков А.Д., Свергун Ю.Ф., Сметанкин В.А., Стрельникова Е.А., Сметанкина Н.В., Гордийчук И.И. Исследование акустических полей гидродинамических излучателей // Сб.науч.тр.ХГТУСХ “Питання електрифікації сільського господарства”. – Харків, 1999. – С.11-21.

3. Свергун Ю.Ф., Сметанкина Н.В., Черенков А.Д., Гордийчук И.И. Исследование влияния конструктивных параметров гидродинамической излучающей системы на характеристики звукового поля // Вісник Харківського державного політехнічного університету. – Вып.103.- 2000. – С.102-106.

4. Гордійчук І.Й., Свергун Ю.Ф. Теоретичне обгрунтування конструктивних параметрів НВЧ камери для знезаражування вовни //Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства “Проблеми енергозабезпечення в АПК України”. – Вып. 10. - Харьков, 2002. – С.121-130.

5. Тевяшев А.Д., Черенков А.Д., Свергун Ю.Ф., Гордийчук И.И. Автоматическая система управления технологическим процессом первичной обработки шерсти // Материалы Межд.конф. “Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве”. - Минск-Москва, 2000. – С.182-184.

6. Свергун Ю.Ф., Андрійчук Є.І., Гордійчук І.Й., Ванькевич В.В., Кріщук М.І., Черенков О.Д., Столяров В.І., Туринський В.М. Спосіб промивання вовни / Патент України № 35834 від 16.04.2001. Бюл. № 3.

АНОТАЦІЇ

Гордійчук Іван Йосипович. Обґрунтування технології та розробка пристроїв знезаражування вовни з використанням електромагнітних та пружних коливань. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.16 – електротехнології та електрообладнання в агропромисловому комплексі. – Харківський державний технічний університет сільського господарства. - Харків, 2002.

Дисертацію присвячено обґрунтуванню технології при знезаражуванні вовни від патогенних мікроорганізмів із використанням електромагнітних і пружних коливань і розробці пристроїв, що реалізують цю технологію.

Теоретично обґрунтовані й побудовані пристрої для обробки вовни електромагнітним полем НВЧ діапазону й ультразвуком. Визначено розповсюдження електромагнітного поля НВЧ діапазону в камері, а також оптимальне розташування магнітострикційних випромінювачів в ультразвуковій ванні. Визначені експозиції обробки вовни й інтенсивності фізичних факторів впливу на мікроорганізми. Пристрої реалізовані в промислових зразках і впроваджені у виробництво.

Наведені дані ефективності використання розроблених пристроїв і в цілому технології.

Ключові слова: вовна, патогенні мікроорганізми, НВЧ енергія, ультразвук, експозиція.

Гордийчук Иван Иосифович. Обоснование технологии и разработка устройств обеззараживания шерсти с использованием электромагнитных и акустических колебаний. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.16 – электротехнологии и электрооборудование в АПК. – Харьковский государственный технический университет сельского хозяйства. - Харьков, 2002.

В связи с тем, что в одном грамме шерсти помещается до 1 миллиона бактерий, среди которых могут находиться болезнетворные микробы и даже такие, которые приводят к летальному исходу человека (сибирская язва, лихорадка Ку), шерсть при ее первичной обработке необходимо обеззараживать.

Существующие дезинфектанты для обеззараживания шерсти вызывают повреждение волокон, поэтому необходимо применять новые технологии обеззараживания на основе электромагнитных полей СВЧ и упругих колебаний ультразвукового диапазона.

В работе решены теоретические и экспериментальные задачи создания энерго- и материалоресурсосберегающей технологии и устройства обеззараживания шерсти на основе электромагнитного поля СВЧ диапазона и акустических колебаний в технологическом процессе первичной обработки шерсти.

Для расчета конструктивных параметров резонатора использованы результаты, полученные при решении электродинамической задачи, связанной с равномерным распределением электромагнитного поля по объему резонатора. В результате решения этой задачи определено, что обеззараживание шерсти следует проводить на волне типа Е31, что обеспечивает равномерное распределение электромагнитной энергии по объему резонатора.

Для обеззараживания шерсти СВЧ энергией предлагается использовать устройства, представляющие собой объемный резонатор с нерегулярным сечением, которое обеспечивает автоматическую загрузку и разгрузку шерсти.

Источниками СВЧ энергии служат магнетроны на частоте 2,45 ГГц мощностью 3 кВт, объем камеры составляет 2 м3. В качестве устройства обработки ультразвуком использована ванна размерами 1,4 м х 1,4 м х 1 м с 4 магнитострикционными преобразователями, расположенными попарно на противоположных сторонах ванны.

Для полного уничтожения микроорганизмов шерсти рекомендуются следующие условия: экспозиция 120 с для СВЧ и 180 с - для ультразвука при концентрации формалина в водном растворе 0,05 %.

Применение ЭМП СВЧ диапазона и упругих колебаний для обеззараживания шерсти позволит сократить время технологических циклов в 20-25 раз; сэкономить энергозатраты до 60 %; уменьшить технологические площади в 3-5 раз; сохранить прочность и разрывную нагрузку шерсти; исключить отрицательное влияние технологического процесса обеззараживания и дезинсекции на окружающую среду; автоматизировать технологический процесс; исключить потери шерсти при ее обеззараживании.

Gordiychuk Ivan. The substantiation of technology and mining of devices a decontamination of a wool with usage of electromagnetic and acoustic oscillations. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.09.16 - Electro technologies and electric equipment in agriculture.

- Kharkov state technical university of an agriculture. - Kharkov, 2002.

The thesis is dedicated to the substantiation of technology, which one provides Energy of caretaking at a decontamination of a wool from the pathogenic microorganism with usage electromagnetic both elastic vibrations and mining of devices, which one will realize this technology.

Are theoretically justified and the devices for processing of a wool by an electromagnetic field very high frequencies of range and ultrasonic sound are built. The distribution of an electromagnetic field of a very high frequency of range in the chamber, and also optimum arrangement of magnetostrictive radiators in a ultrasonic bosh is determined. The expositions of processing of a wool and intensity of the physical factors of influencing on microorganisms are determined. The devices realized in industrial designs and are inserted in effecting.

The data of productivity of designed devices and as a whole technologies are adduced.

Keywords: a wool, pathogenic microorganism, very high frequencies energy, ultrasonic sound, exposition.